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Deagglomeration von Zementpartikeln durch Leistungsultraschall

Die Ultraschalldeagglomeration mit Sondenschalldämpfern bietet eine überlegene Alternative, die diese Probleme überwindet. Diese Methode macht Mahlkörper überflüssig, vereinfacht den Prozess durch den Wegfall der Filtration nach dem Prozess und der intensiven Reinigung und ermöglicht eine effiziente Partikelgrößenreduzierung im Feinpartikelbereich. Darüber hinaus verringert es die Abhängigkeit von Dispergiermitteln und nutzt kompaktere, energieeffizientere Anlagen, was es zu einer äußerst vorteilhaften Lösung für die Dispersion und Deagglomeration von Zementpartikeln macht.

Die Vorteile der Deagglomeration von Zementpartikeln mit Ultraschall

Zement ist einer der wichtigsten Baustoffe im Bauwesen, der aufgrund seiner Bindeeigenschaften häufig verwendet wird. Um eine optimale Leistung zu erzielen, ist jedoch eine gleichmäßige Partikelverteilung erforderlich, da sich agglomerierte Partikel negativ auf die Zementleistung auswirken können. Die Ultraschall-Desagglomeration hat sich als leistungsfähige Technik zur Bewältigung dieser Herausforderung erwiesen.

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MultiSonoReactor MSR-5 ausgestattet mit 5x 4kW Sonicatoren für die Verarbeitung von Zement- und Kalzitpartikeln mit hohem Durchsatz zur zuverlässigen Deagglomeration.

Industrielle Sonicators für die Deagglomeration von Zementpartikeln mit hohem Durchsatz.

Bei der Zementdesagglomeration mit Ultraschall werden Hochleistungs-Ultraschallwellen eingesetzt, um Partikelcluster aufzubrechen, was zahlreiche Vorteile bietet:

  • Verbesserte Partikeldispersion: Durch die Ultraschall-Desagglomeration werden Zementpartikel effektiv dispergiert, wodurch eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung gewährleistet wird. Diese Gleichmäßigkeit ist entscheidend für eine gleichbleibende Festigkeit und Haltbarkeit von zementhaltigen Materialien.
  • Verbesserte Hydratation: Die größere Oberfläche der desagglomerierten Partikel verbessert den Hydratationsprozess, was zu einer besseren Bindung und höheren Festigkeit des Endprodukts führt. Eine verbesserte Hydratation verringert auch das Risiko unvollständiger Reaktionen und Schwachstellen in der Zementmatrix.
  • Erhöhte Verarbeitbarkeit: Gut dispergierte Zementpartikel führen zu einer besser verarbeitbaren Mischung, die sich leichter mischen, gießen und fertigstellen lässt. Diese verbesserte Verarbeitbarkeit kann zu kürzeren Bauzeiten und geringeren Arbeitskosten führen.
  • Verbesserte mechanische Eigenschaften: Die Deagglomeration mit Ultraschall trägt zur Entwicklung einer dichteren und homogeneren Mikrostruktur in zementbasierten Materialien bei. Dies führt zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften wie Druck- und Zugfestigkeit.
  • Verringerung des Einsatzes von Zusatzstoffen: Durch eine bessere Dispersion mittels Ultraschall-Desagglomeration kann der Bedarf an chemischen Dispergiermitteln und anderen Additiven minimiert werden. Dadurch werden nicht nur die Kosten gesenkt, sondern auch die Umweltauswirkungen der Zementherstellung verringert.
  • Kosten-Nutzen-Verhältnis: Unabhängig von der anfänglichen Investition in ein industrielles Ultraschallgerät sind die langfristigen Vorteile einer verbesserten Produktqualität, eines geringeren Einsatzes von Zusatzstoffen und einer verbesserten Leistung eine kosteneffektive Lösung für die Zementindustrie.

Vergleichende Übersicht: Kugelmahlen vs. Ultraschall-Desagglomeration für Zementpartikel

Vergleichender Aspekt Kugelmahlen für Zementpartikel Ultraschall-Desagglomeration für Zementpartikel
Methode Verwendung von Stahl- oder Quarzkugeln als Mahlkörper Nutzt hochintensive Ultraschallwellen zur Erzeugung akustischer Kavitation und sonomechanischer Scherkräfte
Austausch von Mahlkörpern Häufiger Austausch von Stahl- oder Siliziumkugeln Keine Mahlkörper, dadurch keine Ersatzkosten
Post-Process-Filtration Erforderlich zum Herausfiltern von Mahlkörpern Nicht erforderlich, Vereinfachung des Verfahrens
Anforderungen an die Reinigung Arbeitsintensive und zeitaufwendige Reinigung von Mahlgut und Kammer Minimale Reinigung, Ultraschallsonden sind einfacher zu warten
Effizienz im Feinpartikelbereich Ineffizient für Partikel im Bereich 0 – 100 µm Bereich, zeitaufwendig Hochwirksam für feine Partikelgrößen, einschließlich der 0 – 100 µm Bereich
Dispergiermittel-Anforderung Hohe Menge an Dispergiermittel erforderlich Geringerer Bedarf an Dispergiermitteln durch starke Kavitation und Scherkräfte
Merkmale der Ausrüstung Groß, sperrig, energieineffizient, erfordert umfangreiche Wartung und Reinigung Kompakt, energieeffizient, wartungsarm, einfach in der Handhabung und sicher im Betrieb

Fallstudie: Dispergierung von mikrofeinem Zementmörtel mit Ultraschallmischern

Das Forschungsteam unter der Leitung von Draganović präsentiert eine umfassende Untersuchung der Dispersion von mikrofeinem Zementmörtel mit Hilfe der Ultraschalltechnologie im Vergleich zu herkömmlichen Labordissolvern. Die Studie konzentriert sich insbesondere auf die Leistung des Sonicators UP400St im Vergleich zu herkömmlichen Zementmörtel-Dispergiermethoden.

Die Forscher führten eine Reihe von Experimenten mit verschiedenen Dispersionstechniken durch, um die Partikelgrößenverteilung (PSD) und das Zetapotenzial von mikrofeinen Zementpartikeln zu bewerten. Zu den untersuchten Techniken gehörten die Ultraschallbehandlung mit dem UP400St-Sonicator, Hochgeschwindigkeits-Labor-Dissolver und eine Kombination aus beiden Methoden.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Ultraschalldispergierung mit dem UP400St-Sonicator die Partikelgrößenverteilung im Vergleich zu konventionellen Labordissolvern deutlich verbessert. Der Sonicator UP400St verringert wirksam die Agglomeration mikrofeiner Zementpartikel und führt zu einer homogeneren und stabileren Zementsuspension. Die Ultraschallbehandlung verbessert die Verteilung kleinerer Partikel, was zu einem engeren Bereich der Partikelgrößenverteilung führt.
 

Die Ultraschallhomogenisierung lieferte die besten Ergebnisse für die Dispersion von Portlandzementgicht im Vergleich zu einem Labormischer mit einer Scheibe und einem Rotor-Stator-Mischer.

Der Ultraschallhomogenisator UP400St wird hinsichtlich der Dispersionseffizienz von Zementmörtel mit einem gewöhnlichen Labormischer verglichen, der mit einer Scheibe ausgestattet ist und die Rotor-Stator-Technik verwendet. Die Studie zeigte, dass die Ultraschalldispergierung nicht nur eine effektive Methode ist, sondern sogar besser als ein Mischer mit Rotor-Stator-Technik.
(Studie und Grafik: © Draganović et al., 2020)

 
Darüber hinaus wird durch die Kombination von Ultraschall mit herkömmlichen Labordissolvern die Dispersionseffizienz verbessert und eine noch feinere Partikelgrößenverteilung erzielt als durch die Ultraschallbehandlung allein. Diese Kombination ermöglicht eine bessere Kontrolle der PSD und des Zetapotenzials von mikrofeinem Zementmörtel im Chargenbetrieb. In kontinuierlichen Durchflusssystemen durchläuft die Partikelsuspension automatisch die Kavitations-Hot-Spot-Zone, wodurch zusätzliches Rühren überflüssig wird.

Die Studie unterstreicht die überlegene Leistung des Sonicators UP400St bei der Dispergierung von mikrofeinem Zementmörtel. Die Ultraschallbehandlung bietet, insbesondere in Kombination mit herkömmlichen Labordissolvern, eine effektive und effiziente Methode, um eine gleichmäßige und stabile Suspension mikrofeiner Zementpartikel zu erreichen.

Diese Forschungsarbeit bietet einen detaillierten Vergleich zwischen Ultraschall- und konventionellen Dispersionsmethoden, wobei die überlegene Wirksamkeit der Beschallung bei der Mörteldispersion hervorgehoben wird.
(vgl. Draganović et al., 2020)
 

Feinstzementmörtel wird am effizientesten und zuverlässigsten mit dem Hielscher Sonicator UP400S dispergiert. In der Vergleichsstudie übertraf der Sondenschalldämpfer den Rotor-Stator-Dispergierer und den Tellerdissolver deutlich.

Vergleich der Dispersionsmethoden: Vma-Getzmann Dispermat CV-3 Dissolver mit einer 90-mm-Scheibe und einem Rotor-Stator-System (R/S). Hielscher UP400St Sonicator, ausgestattet mit einer H22 Sonotrode.<br />(Study and pictures: ©Draganovic et al., 2020)

 

Zementmörtel kann mit dem Sondenschallgerät UP400St effizient bis in den Nanobereich dispergiert werden.

Sondensonicator UP400ST für die Dispersion von mikrofeinem Zementmörtel
(Studie und Bild: ©Draganovic et al., 2020)

 

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Anwendungen von Sonicators in der Zementindustrie

Die Nutzung der vorteilhaften Wirkungen von Hochleistungs-Ultraschall bei der Desagglomeration von Zementpartikeln und Zementmörtel eröffnet zahlreiche Anwendungsfelder in der Zementindustrie und ermöglicht eine Verbesserung der Materialeigenschaften und der Endproduktqualität.

  • Nassmahlung von Zementpartikeln: Die Sondenbeschallung ist eine hochwirksame und energieeffiziente Methode zum Mahlen von Zementpartikeln. Lesen Sie mehr über das Nassmahlen von Zement mit Ultraschall!
  • Herstellung von Hochleistungsbeton: Sondenschalldämpfer werden zur Herstellung von Hochleistungsbeton eingesetzt, indem sie eine gleichmäßige Dispersion von feinen Zementpartikeln und zusätzlichen zementhaltigen Stoffen wie Flugasche und Silikastaub gewährleisten. Dies führt zu einem Beton mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und einer langen Lebensdauer.
  • Entwicklung von Nanokompositen: In der Forschung und Entwicklung erleichtern Sondenschallgeräte die Einbringung von Nanopartikeln in Zementmatrizen, wodurch Nanokomposite mit verbesserten Eigenschaften wie höherer Festigkeit, Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen Umweltbelastungen entstehen.
  • Optimierung der additiven Leistung: Die Ultraschall-Desagglomeration trägt zur Optimierung der Leistung chemischer Zusatzstoffe wie Fließmittel und Luftporenbildner bei, indem sie deren gleichmäßige Verteilung in der Zementmatrix gewährleistet. Dies führt zu einer besseren Verarbeitbarkeit und Leistung des Endprodukts.

Hochleistungssonicatoren für die Dispersion und Deagglomeration von Zementpartikeln

Die Ultraschalldesagglomeration mit Sondenschalldämpfern bietet der Zementindustrie erhebliche Vorteile. Durch die Verbesserung der Partikeldispersion, die Verbesserung der Hydratation und die Erhöhung der Verarbeitbarkeit tragen diese Geräte zur Herstellung hochwertiger zementhaltiger Materialien bei. Die präzise Steuerung, die Skalierbarkeit und die Vielseitigkeit von Sondenschalldämpfern machen sie zu wertvollen Werkzeugen sowohl für die Forschung als auch für industrielle Anwendungen und fördern Innovation und Effizienz in der Zementherstellung.

Hielscher Ultrasonic liefert Hochleistungssonicatoren in jeder Leistungsstufe für die Bearbeitung von Zementpartikeln und Zementmörtel, von kleineren Chargen für Forschung + Entwicklung bis hin zu hohen Durchsätzen für die industrielle Zementdeagglomeration im Produktionsmaßstab.

Kontaktieren Sie uns jetzt für detaillierte Informationen, technische Daten und Fallstudien! Unser technisches Personal berät Sie gerne hinsichtlich Ihrer Prozessziele!
Warum Hielscher Ultrasonics?

  • hoher Wirkungsgrad
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  • Batch & Inline
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  • intelligente Software
  • intelligente Funktionen (z. B. programmierbar, Datenprotokollierung, Fernsteuerung)
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  • Geringer Wartungsaufwand
  • CIP (Clean-in-Place)

Design, Herstellung und Beratung – Qualität Made in Germany

Hielscher Ultraschallgeräte sind bekannt für höchste Qualität und Designstandards. Robustheit und einfache Bedienung ermöglichen die problemlose Integration unserer Ultraschallgeräte in industrielle Anlagen. Raue Bedingungen und anspruchsvolle Umgebungen sind für Hielscher Ultraschallgeräte kein Problem.

Hielscher Ultrasonics ist ein ISO-zertifiziertes Unternehmen und legt großen Wert darauf, Hochleistungs-Ultraschallgeräte zu entwickeln und zu produzieren, die sich durch modernste Technik und Benutzerfreundlichkeit auszeichnen. Selbstverständlich sind Hielscher Sonicators CE-konform und erfüllen die Anforderungen von UL, CSA und RoHs.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallhomogenisatoren:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
0,5 bis 1,5 ml n.a. VialTweeter
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
15 bis 150 Liter 3 bis 15 l/min UIP6000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultraschall-High-Shear-Homogenisatoren werden im Labor, Technikum, in der Pilotanlage sowie in der industriellen Produktion eingesetzt. Die Ultraschallbehandlung ist hocheffizient bei der Herstellung von langzeitstabilen Nanoemulsionen.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.



Literatur / Literaturhinweise

Wissenswertes

Was ist Zement?

Zement ist eine feine, pulverförmige Substanz, die im Bauwesen als Bindemittel dient. Wenn er mit Wasser gemischt wird, durchläuft er eine chemische Reaktion, die Hydratation genannt wird, und härtet zu einem festen Material aus. Er besteht hauptsächlich aus Kalkstein, Ton, Muscheln und Kieselerde und ist ein wichtiger Bestandteil von Beton, Mörtel und anderen Baumaterialien. Die Fähigkeit von Zement, andere Materialien zu härten und zu binden, macht ihn für den Bau von Gebäuden, Straßen, Brücken und anderen Infrastrukturen unverzichtbar. Die gebräuchlichste Zementsorte ist Portlandzement, der aufgrund seiner Festigkeit und Vielseitigkeit weit verbreitet ist.

Warum ist die Deagglomeration von Zementpartikeln wichtig?

Die Deagglomeration von Zementpartikeln ist wichtig, weil sie für eine gleichmäßige Partikelgrößenverteilung sorgt, was die Leistung und Qualität von Materialien auf Zementbasis verbessert. Eine ordnungsgemäße Deagglomeration verbessert die Hydratationseffizienz, was zu festerem und haltbarerem Beton führt. Außerdem wird die Verarbeitbarkeit von Zementmischungen verbessert, so dass sie leichter zu mischen, zu gießen und zu verarbeiten sind. Außerdem verringern gut dispergierte Partikel den Bedarf an chemischen Zusätzen, senken die Produktionskosten und minimieren die Umweltbelastung. Insgesamt ist eine effektive Deagglomeration entscheidend für das Erreichen optimaler mechanischer Eigenschaften und langfristiger Haltbarkeit bei Bauprojekten.

Wie werden Zementpartikel deagglomeriert?

Zementpartikel werden mit verschiedenen Methoden deagglomeriert, wobei die Ultraschalldeagglomeration eine der effektivsten Techniken ist. Bei diesem Verfahren werden Hochfrequenz-Ultraschallwellen von einer in den Zementschlamm eingetauchten Sonde ausgesandt. Diese Wellen erzeugen intensive Kavitationsblasen, die mit hoher Energie kollabieren und dabei starke Scherkräfte und Stoßwellen erzeugen. Diese Kräfte brechen die agglomerierten Zementpartikel auf und sorgen für eine gleichmäßige Dispersion. Andere Methoden umfassen mechanisches Mischen, Mahlen und die Verwendung von Dispergiermitteln, aber die Ultraschall-Desagglomeration wird aufgrund ihrer Effizienz und ihrer Fähigkeit, eine feine, gleichmäßige Partikelverteilung zu erreichen, bevorzugt.

Welche Rolle spielt Wasser bei der Zementherstellung?

Wasser spielt bei der Zementherstellung eine zentrale Rolle. Es hydratisiert verschiedene Mineralien im Klinker, was dem Zementstein die notwendige Fließfähigkeit verleiht. Die Steuerung des Wassergehalts ist jedoch ein heikles Gleichgewicht. Ein zu hoher Wassergehalt kann zu Problemen wie Ausbluten (bei dem sich das Wasser aus der Mischung löst) und verminderter Druckfestigkeit führen. Umgekehrt kann zu wenig Wasser die Verarbeitbarkeit beeinträchtigen, so dass die Zementmischung schwer zu handhaben ist und zu schwächeren Produkten führt.

Wie funktionieren Sondenschalldämpfer?

Sonicators sind eine spezielle Klasse von Ultraschallgeräten, die zum Dispergieren und Deagglomerieren von Partikeln in verschiedenen Suspensionen, einschließlich Zement, entwickelt wurden. Diese Geräte verwenden eine Sonde oder ein Horn, das Ultraschallwellen direkt in das Medium aussendet, wodurch Kavitationsblasen entstehen, die mit hoher Energie implodieren und zur Deagglomeration der Partikel führen.
Sondensonicatoren erzeugen Ultraschallwellen, die in der Regel im Bereich von 20 bis 30 kHz liegen. Die Sonde, auch Sonotrode genannt, ist ein Stab aus einem Material wie Titan, der in den Zementschlamm getaucht wird. Wenn die Sonde aktiviert wird, vibriert sie mit Ultraschallfrequenzen und erzeugt intensive akustische Kavitation. Bei dieser Kavitation bilden sich mikroskopisch kleine Blasen im Zementschlamm, die gewaltsam zerplatzen, was starke Scherkräfte und Stoßwellen erzeugt. Diese Kräfte brechen agglomerierte Partikel auf und fördern eine gleichmäßige Dispersion.


Hochleistungs-Ultraschall! Die Hielscher-Produktpalette deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallhomogenisator über Benchtop-Sonicator bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.

Hielscher Ultrasonics fertigt Hochleistungs-Ultraschall-Homogenisatoren vom Labor bis zum voll-kommerziellen Industriemaßstab.

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